Richard Feynman liebte ein Paradoxon.
Der legendäre Physiker hatte keine Geduld mit der spießigen Wissenschaft, wenn eine dumme Frage auf dem Tisch stand. Kann Mathematik die optimale Mittagsreihenfolge bestimmen? Können Menschen Duftspuren wie ein Hund verfolgen, indem sie an ihren eigenen Fußabdrücken schnüffeln?
Jetzt, Jahrzehnte nach seinem Tod, hat ein Forscherteam endlich eines seiner berühmtesten Rätsel gelöst. Sie untersuchten die Physik des „albernen“ Sprinklers.
Es ist ein einfaches Konzept, das die Leute jahrelang in den Wahnsinn getrieben hat. Nehmen Sie einen handelsüblichen Rasensprenger. Es dreht sich im Kreis und spritzt Wasser heraus. Einfach. Aber drehen Sie es um. Schließen Sie es an ein Vakuum an. Lassen Sie es stattdessen Wasser ein saugen. In welche Richtung dreht es sich?
Geht es rückwärts? Oder dreht es sich weiter vorwärts und trotzt der Intuition?
Feynman war in den 1940er Jahren Student in Princeton, als er zum ersten Mal mit der Idee spielte. Er baute in einem Labor einen Glassprinkler auf. Er schaltete den Staubsauger ein. Es verursachte ein leichtes Zittern. Dann hat es nichts gebracht. Er erhöhte den Druck, bis das Glas zersprang. Das Experiment konnte die Frage nicht beantworten. Es hat einfach teures Glas zerbrochen.
Über den Ausgang konnte sich jahrzehntelang niemand einigen.
Einige Tests zeigten, dass sich der Sprinkler vorwärts drehte. Andere zeigten, dass es sich rückwärts drehte. Einige waren nervös. Einige blieben tot da. Es hing ganz davon ab, wie Sie das Rig gebaut haben. Die Unklarheit hielt bis 2024 an.
Testen der Theorien von Feynman und Mach
In diesem Jahr ging ein Team der New York University unter der Leitung des Physikers Leif Ristroph das Problem an. Sie testeten den Umkehrsprinkler mit einer standardmäßigen S-förmigen Düse.
Sie fanden heraus, dass es sich entgegengesetzt zu einem vorwärtsbewegenden Sprinkler dreht.
Aber die Studie hatte einen Fehler. Es wurde ausschließlich die klassische S-Form verwendet. Es hatte die beiden konkurrierenden Theorien nicht direkt getestet.
Theorie Nummer eins geht auf den österreichischen Physiker Ernst Mach zurück. Es wird argumentiert, dass der gesamte Drehimpuls des in den Armen wirbelnden Wassers ausgeglichen sein muss. Der Sprinkler sollte sich in eine Richtung drehen, um die Drehung des Wassers in die andere aufzuheben.
Theorie Nummer zwei ist mit Feynman verbunden. Es konzentriert sich auf Druck- und Saugkräfte direkt an den Düsenspitzen. Das Wasser trifft auf das Ende des Rohrs und erzeugt einen Rückstoß.
Das Team von Ristroph stellte eine einfache Frage: Was wäre, wenn wir auf die Verwendung von Standard-Sprinklern verzichten würden?
Was wäre, wenn die Arme sich spiralförmig drehen würden? Was wäre, wenn sie sich in die falsche Richtung beugten? Was wäre, wenn sie sich zusammenrollen würden?
Ziel war es, die Annahmen von Mach und Feynman zu durchbrechen.
Das Spiralexperiment
In einer neuen Studie, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, baute das Team sieben bizarre Sprinkler. Das waren keine durchschnittlichen Gartengeräte.
Sie entwarfen Arme mit ungewöhnlichen Geometrien, um die Theorien einem Stresstest zu unterziehen.
Ein Sprinkler hatte mehrfach spiralförmige Arme. Dies wurde entwickelt, um den Drehimpuls des Wassers zu maximieren, insbesondere um Machs Idee zu testen.
Wenn Mach Recht hätte, hätte sich dieses Spiraldesign wild drehen müssen.
Das war nicht der Fall.
Die Flüssigkeit im Inneren trug wesentlich mehr Impuls. Die feste Struktur bewegte sich kaum. Die Spirale war unnachgiebig.
Ein anderes Design sah eine Gegenbiegung an der Düsenspitze vor. Dies sollte Feynmans Saugtheorie testen. Wenn Feynman Recht hatte, hätte die Umkehrung der Biegung die Richtung der Drehung umkehren müssen.
Das ist auch nicht passiert.
„Wir waren gezwungen zu sagen: ‚Feynham und seine Anhänger, ihr seid weg‘“, sagte Ristroph gegenüber Live Science.
Der Hub ist der Ort, an dem alles passiert
Beide Theorien wurden widerlegt. Der Umkehrsprinkler ist weder eine einfache Mach-Waage noch ein Feynman-Rückstoß.
Die Beweise deuten auf etwas anderes hin.
Alle drei Messungen in den sieben verschiedenen Designs wiesen auf die zentrale Nabe hin. Hier treffen die Arme auf den Kern. Hier kollidiert und verwirbelt einströmendes Wasser. Es erzeugt einen Drehimpulsfluss im Inneren des Geräts.
Die solide Struktur des Sprinklers wehrt diesen inneren Fluss ab.
Dies deutet darauf hin, dass der Rückwärtssprinkler nur eine Inside-Out-Version der Vorwärtsversion ist. Es unterliegt der gleichen Physik. Die Kräfte wirken nur an den gegenüberliegenden Enden der Arme.
Es stellte sich heraus, dass die Antwort die ganze Zeit über im Verborgenen lag. Die Details zählen weniger als die zentrale Interaktion.
Warum das für die Energie wichtig ist
Dies war nicht nur eine akademische Übung der Frustration. Die Arbeit erforderte echtes Geschick.
Ristroph erwähnte Jesse Smith, einen Physik-Doktoranden der NYU, zusammen mit einer kleinen Gruppe von Studenten. Sie arbeiteten auch mit Brennan Sprinkle zusammen, einem Experten für numerische Strömungsmechanik an der Colorado School of Mines. (Die Nachnamen stimmten überein. Das war einfach Pech beim Kennenlernen.)
Jetzt geht das Team zu Computersimulationen über. Sie wollen sehen, ob das Impulsflussmodell unter verschiedenen Strömungsbedingungen Bestand hat. Sie hoffen, das Verhalten irgendwann direkt aus grundlegenden Gleichungen der Fluiddynamik ableiten zu können.
Aber die reale Welt hat hier Anwendungen.
Zu verstehen, wie gekrümmte Kanäle Flüssigkeitsströmungen in Rotation umwandeln, ist nicht nur eine Theorie. Es hilft Ingenieuren, bessere Turbinen zu entwerfen. Es unterstützt Geräte, die Energie aus Wind- oder Wasserströmungen gewinnen.
„Wenn wir etwas tun könnten, das der Technik hilft … besser die riesige Menge an Wind- und Wasserenergie nutzen könnte, die wir um uns herum haben“, sagte Ristroph, „wäre das eine fantastische Sache.“
Der alberne Sprinkler hat uns also etwas Ernstes beigebracht.
Aber sagt es Ihnen, was Sie zu Mittag essen sollen?
